超導輸電技術發展現狀與趨勢

肖立業 林良真

(1.中國科學院應用超導重點實驗室 北京 100190 2.中國科學院電工研究所 北京 100190)

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超導輸電技術發展現狀與趨勢

肖立業1，2林良真1，2

(1.中國科學院應用超導重點實驗室 北京 100190 2.中國科學院電工研究所 北京 100190)

由于我國電力資源與負荷資源分布極度不匹配，電力的遠距離輸送不可避免，特別是未來可再生能源的規模開發與利用，將會進一步加劇這種不匹配的格局，大規模的電力遠距離輸送在我國尤其重要。超導輸電技術是實現大規模電力遠距離輸送的潛在解決方案之一，近年來在國際上得到了較快發展，我國也有了很好的研究開發基礎。該文對我國超導輸電技術的需求進行了分析，介紹了國內外超導輸電技術發展的現狀，分析了超導輸電技術發展趨勢，并提出了有關發展對策與建議。

可再生能源 高溫超導材料 超導輸電技術

0 引言

一個國家的綜合發展水平越高，則其人均用電量越高。2011年，國際能源署提供的數據表明[1]，不同國家或地區的人均用電量與人均GDP大致呈正相關關系。我國目前人均GDP僅為7 000美元左右，大致相當于發展中國家的平均水平，未來仍有大幅度提升的空間。根據周孝信[2]牽頭組織撰寫的報告，2010年，我國人均用電量約為3 000 kWh，到2050年，以我國人均GDP達到2.5～3.5萬美元計算，較合理的預計是人均用電量將達到8 000～10 000 kWh以上，大致相當于法國、德國或日本當前水平，或相當于美國20世紀70、80年代水平。

隨著化石能源的日益枯竭以及日益增長的環境壓力等因素的驅動，人們已經認識到必須大力發展可再生能源，并逐步實現可再生能源替代化石能源的新能源變革[3]。近年來，歐洲、美國和中國等國家的可再生能源發展十分迅速，裝機容量增長速度年均超過20%。2009年，歐盟國家新增的電力裝機中，可再生能源發電裝機已占到62%以上[4]，超過了傳統能源發電的新增裝機。隨著技術不斷進步，可再生能源發電的單位成本呈逐年下降趨勢。根據歐洲、美國和日本等發達國家和地區的預計，到2020年，光伏發電基本上可以實現平價上網[5]。2011年，歐洲可再生能源委員會出版了一份名為《Re-thinking 2050》的報告[6]，報告預測：按照目前歐洲可再生能源的發展速度，到2020年，歐洲新增的電力裝機將全部來自可再生能源；報告也大體勾畫了到2050年實現100%可再生能源供應體系的路線圖。2011年1月份，德國環境咨詢委員會提交了一份名為《建立一個100%的可再生能源電力系統》的報告，該報告得出結論，到2050年，德國電力100%由可再生能源供應是可能的[7]。世界觀察研究所的報告認為[7]：到2050年，中國可再生能源將達到總能源需求的40%～45%。由此可見，可再生能源將在未來得到快速發展，而化石能源的比重將逐漸降低。

我國的能源資源和負荷資源的地理分布極不均衡，電力資源大部分分布在西部和北部地區，而人口和負荷資源大部分分布在中部和東部地區。考慮到可再生能源發展的遠景，我國未來能源資源和負荷資源分布不均衡的矛盾將更加突出。根據周孝信等[8]另一份研究報告，依據我國環境和資源約束條件，并結合我國未來發展態勢，預測我國2050年總的電力需求量和發電裝機容量如表1(低方案)及表2(高方案)所示。同時，我國將有約5億kW的電力需要從西部地區送往中東部地區，年輸送電能將達到2.3～2.5萬億kWh。

表1 我國中長期可支持的發電量及裝機規模(低方案)Tab.1 Future electric energy requirement and installed power capacity(low-level scenario)

表2 我國中長期可支持的發電量及裝機規模(高方案)Tab.2 Future electric energy requirement and installed power capacity(high-level scenario)

由此可見，隨著可再生能源在能源中所占比重不斷增加，我國不僅“西電東送”、“北電南送”的基本格局沒有改變，而且電力資源與負荷資源分布不均衡的矛盾將進一步加深，發展大容量遠距離電力輸送技術仍十分必要。

1 超導輸電技術的原理及比較優勢

超導輸電技術是利用高密度載流能力的超導材料發展起來的新型輸電技術，超導輸電電纜主要由超導材料、絕緣材料和維持超導狀態的低溫容器構成，圖1和圖2分別是常溫電絕緣和低溫電絕緣的超導輸電電纜的示意圖。由于超導材料的載流能力可達到100～1 000 A/mm2(約是普通銅或鋁的載流能力的50～500倍)，且其傳輸損耗幾乎為零(直流下的損耗為零，工頻下會有一定的交流損耗，約為0.1～0.3 W/kA·m)，因此，超導輸電技術具有顯著優勢，主要可歸納為：

1)容量大。一條±800 kV的超導直流輸電線路的傳輸電流可達10～50 kA，輸送容量可達1 600～8 000 萬kW，是普通特高壓直流輸電的2～10倍。

2)損耗低。由于超導輸電系統幾乎沒有輸電損耗(交流輸電時存在一定的交流損耗)，其損耗主要來自循環冷卻系統(對于交流輸電也是如此)，因此其輸電總損耗可降到常規電纜的25%～50%。

3)體積小。由于載流密度高，超導輸電系統的安裝占地空間小，土地開挖和占用減少，征地需求 小，使利用現有的基礎設施敷設超導電纜成為可能。

4)重量輕。由于導線截面積較普通銅電纜或鋁電纜大大減少，因此，輸電系統的總重量可大大降低。

5)增加系統靈活性。由于超導體的載流能力與運行溫度有關，可通過降低運行溫度來增加容量，因而有更大的運行靈活性。

6)如果采用液氫或液化天然氣等燃料作為冷卻介質，則超導輸電系統就可變成“超導能源管道”(Superconducting Energy Pipeline)，從而在未來能源輸送中具有更大的應用價值。例如，從新疆向中東部地區供應液化天然氣和可再生能源電力，就可采用這樣的“超導能源管道”。

圖1 常溫絕緣型超導輸電電纜Fig.1 Warm dielectric type superconducting transmission cable

圖2 低溫絕緣型超導輸電電纜Fig.2 Cryogenic dielectric type superconducting transmission cable

由于上述優越性，超導輸電技術可為未來電網提供一種全新的低損耗、大容量、遠距離電力傳輸方式。美國電力科學研究院對超導直流輸電系統所做的技術經濟評估分析(如表3和表4所示)表明[9]，如果超導帶材的價格可降到20～50美元/kA-m，超導直流輸電技術的技術經濟性具有明顯優勢，因而隨著技術的不斷發展及超導帶材價格的不斷降低，未來可望得到重要應用。

表3 各種輸電技術的技術優勢比較Tab.3 Technical comparisons among different power transmission technology

注：“√”表示具備比較項所提出的功能，“×”表示不具備。

表4 各種輸電技術的經濟比較(以5 GW、1 500英里為例)Tab.4 Economic comparisons among different power transmission technology

2 超導輸電技術的發展及趨勢

超導材料是發展超導輸電技術的根本物質基礎和技術基礎，1987年以來，超導輸電技術的研究主要圍繞高溫超導材料開展。高溫超導材料主要包括鉍(Bi)系高溫超導帶材(包括Bi2Sr2Ca2Cu3O10即Bi-2223、Bi2Sr2Ca1Cu2O8即Bi-2212，也稱為第I代高溫超導帶材)和YBCO (YBa2Cu3O7-x即Y-123)高溫超導帶材(也稱第II代高溫超導帶材)。經過20多年的發展，第I代和第II代高溫超導帶材在臨界電流密度、長度、機械性能等方面已基本滿足超導輸電技術的應用需求。表5和表6分別列出了目前國際上主要的Bi系超導帶材和Y系超導帶材[10-14]供應商的超導材料技術指標。

表5 國際上主要生產廠商提供的Bi系超導帶材的性能Tab.5 Properties of Bi-based superconducting tapes provided by the manufacturers in the world

其中，日本住友電工長期堅持對Bi系高溫超導線進行研制，2006年，該公司組建了30 MPa的冷壁式Controlled Overpressure(CT-OP)熱處理方案，成功制備臨界電流達180～200 A以上的Bi系高溫超導線，這一成果引起了世界同行的極大關注。德國Bruker公司和美國超導公司所生產的Bi-2223/Ag導線性能指標也較高，但因目前轉為生產YBCO帶材，兩家公司的Bi-2223/Ag導線僅有少量庫存。

表6 國際上主要研究開發機構或公司所研制的Y系超導帶材的性能Tab.6 Properties of Y-based superconducting tapes provided by the manufacturers in the world

然而，Bi系高溫超導帶材在77 K下的不可逆場約有0.4 T，臨界電流在較小磁場下衰減很快；同時，采用銀套管等成本較高的原材料，Bi系高溫超導帶材的生產成本將難以下降。因此，國際上已基本停止了對Bi系高溫超導帶材的研發，大部分公司已經停止Bi系高溫超導帶材的生產。

在Y系超導材料研制中，日本Fujikura公司于2004年制備出長度為100 m、臨界電流超過100 A的YBCO超導帶材；2006年，其研制的帶材長度達200 m、臨界電流超過200 A；2007年，長度發展到504 m、臨界電流超過350 A，創造了當時的世界記錄。2010年10月份，Fujikura公司制備出長度達615 m、臨界電流達到609 A的帶材，2011年4月份又制備出長度為816 m、臨界電流為572 A的YBCO帶材，再次創造出新的世界記錄。美國SuperPower公司采用離子束輔助沉積技術和金屬有機物化學氣相沉積法(IBAD+MOCVD)已經可以批量制備千米級YBCO超導帶材，最長單根超導帶材達到1 311 m、臨界電流約300 A；美國超導公司(AMSC)采用軋制輔助雙軸織構基帶技術/金屬有機物化學溶液沉積技術(RABiTS/MOD)制備出YBCO超導帶材的最大長度為520 m，可采用344法切割成超過3 000 m的超導帶材。

我國在YBCO超導帶材制備上也取得了重要進展，北京有色金屬研究總院制備出臨界電流超過200 A的米級YBCO超導帶材，而上海交通大學采用全激光沉積(PLD)在軋制輔助雙軸織構(RABiTS)基帶上進行過渡層和超導層的生長研究，獲得了長度100 m、臨界電流達到170 A的YBCO超導帶材。蘇州新材料公司成立于2011年2月份，是國內第一家專注于第二代高溫超導帶材產業化的高科技企業。截至2012年3月底，蘇州新材料研究所有限公司已投資10 000萬元用于第II代高溫超帶材實驗室建設以及相關設備的研發和加工。其中，已自主完成了離子束輔助沉積(IBAD)技術制備千米級有立方織構MgO種子層的設備、千米級氧化物隔離層的外延生長設備、千米級YBCO超導層的MOCVD外延生長設備等的設計，并開始加工制造。

值得一提的是，2001年，日本科學家發現的二硼化鎂(MgB2)超導材料，其超導轉變溫度達39 K[15]。MgB2超導材料具有結構簡單、易于制造、成本低廉等優點，如果運行于液氫溫度(27 K)，也可用于超導輸電技術。目前，意大利Columbus公司和美國HyperTech公司均可商業化制備并批量生產千米級MgB2長線，中國科學院電工研究所和西北有色金屬研究院也具備制備百米量級的MgB2導線的能力[16]。2008年初，日本科學家發現一種新型超導體——鐵基超導體，在世界范圍內興起了一股新的超導研究熱潮，中國科學院物理研究所趙忠賢院士將鐵基超導體的臨界溫度提高到了55 K。2008年，中國科學院電工研究所率先制備出鐵基超導帶材，2014年，制備的鐵基超導帶材在液氦溫度和10 T磁場下的臨界電流密度已達到1 000 A/mm2以上。

3 高溫超導輸電電纜研發現狀

由于上述高溫超導材料制備技術取得的巨大進步，自20世紀90年代末以來，世界范圍內在超導輸電技術方面開展了大量研究開發與應用示范。美國、歐洲、日本、中國和韓國等都完成了高溫超導電纜的研制和示范，以前的研究重點主要集中在高溫超導交流電纜，近年來重點轉向了高溫超導直流電纜。表7列出了近年來國際上主要超導電纜的研發與示范項目。

表7 國際高溫超導電纜研究開發與示范主要案例[17-25]Tab.7 Typical projects of high-temperature superconducting cable in the world[17-25]

其中，美國南方電線公司于1999年首先將30 m長、12.5 kV/1.25 kA三相交流高溫超導電纜安裝在其總部進行供電運行；丹麥于2001年研制出30 m長、36 kV/2 kA的三相交流高溫超導電纜并進行并網運行實驗。此后，國際上有多組更長距離的高溫超導電纜并入實際電網運行，主要集中在美國，包括長度分別為200 m、350 m以及目前國際上最長的600 m(138 kV/2 kA)等三組三相交流高溫超導電纜已完成研制，并投入到實際電網示范運行(如圖3所示)。2006年，日本住友公司完成了全球第一組以商業化方式訂制的100 m長、22.9 kV/1.25 kA三相交流高溫超導電纜的開發并交付韓國使用。

國際上還計劃開展更長距離的高溫超導電纜的研究開發。例如，美國計劃研制長度為1 760 m、容量為13.8 kV/2 kA的三相交流高溫超導電纜并在新奧爾良市更換一段滿負荷運行的地下常規電纜；荷蘭于2007年底啟動了長度達6 000 m、容量為50 kV/3 kA的三相交流高溫超導電纜的前期工作，計劃在阿姆斯特丹市更換一段目前已超負荷運行的充氣常規電纜，同時將傳輸電壓等級由常規電纜的150 kV降到超導電纜的50 kV；美國超導公司與韓國LS電纜公司于2009年9月份建立戰略合作伙伴關系，共同推進韓國現有電力傳輸網采用高溫超導電纜的進程，預計在未來5年內將實現50 km高溫超導電纜在實際商業電網中的使用和服務。

圖3 美國超導輸電示范系統Fig.3 Demonstration projects of superconducting transmission in USA

我國自“九五”計劃以來就開展高溫超導電纜的研究。1998年，中國科學院電工研究所與西北有色金屬研究院和北京有色金屬研究總院合作研制成功1 m長、1 000 A的Bi系高溫超導直流輸電電纜模型，2000年又完成6 m長、2 000 A高溫超導直流輸電電纜的研制和實驗。“十五”期間，在國家“863”計劃支持下，中國科學院電工研究所于2003年研制出10 m、10.5 kV/1.5 kA三相交流高溫超導輸電電纜。在此基礎上，2004年中國科學院電工研究所與甘肅長通電纜公司等合作研制成功75 m、10.5 kV/1.5 kA三相交流高溫超導電纜并安裝在甘肅長通電纜公司為車間供電運行。2011年2月份，中國科學院電工研究所在甘肅省白銀市政府支持下，在白銀市建成10.5 kV/630 kV·A超導變電站，該75 m、10.5 kV/1.5 kA高溫超導電纜隨即移裝在超導變電站中運行至今(如圖4所示)。

圖4 白銀超導變電站中的三相75 m、10.5 kV/1.5 kA高溫超導電纜Fig.4 Three-phase 75 m、10.5 kV/1.5 kA high-temperature superconducting cable in Baiyin Superconducting Transformer Substation

2001年云南電力公司與北京英納超導公司合資成立云電英納超導電纜公司，從事高溫超導電纜的研究開發，2004年完成33 m長、35 kV/2 kA高溫超導交流電纜的研制，安裝在云南普吉變電站實驗運行(如圖5所示)。

圖5 普吉33 m、35 kV/2 kA三相交流高溫超導輸電電纜Fig.5 Three-phase 33 m、35 kV/2 kA high-temperature conducting cable in Puji，Yunan

由于直流輸電的優勢以及發展新能源并網的需求，近年來，超導直流輸電技術的研究開發備受重視。美國于2009年10月份啟動了將三大電網(美國東部電網、西部電網、德克薩斯電網)實現完全互聯和可再生能源發電并網的“Tres Amigas超級變電站”項目，該超級變電站采用高壓直流輸電技術(HVDC)實現電網互聯，即任何兩個電網互聯均由AC/DC進行電能變換后通過高溫超導直流輸電電纜(Superconductor Electricity Pipelines)來實現雙向流動，最終建設成一個占地22.5平方英里、呈三角形互聯的可再生能源市場樞紐(Renewable Energy Market Hub)，如圖6所示。但由于資金募集沒有到位，該項目中的高溫超導直流輸電電纜將由常規電纜替代。

2010年，日本中部大學完成了一組200 m長、±20 kV/2 kA高溫超導直流電纜的研制和實驗(如圖7所示)，并計劃在此基礎上研制2 000 m長的高溫超導直流電纜投入實際電網示范運行。

圖6 美國Tres Amigas超級變電站設計方案Fig.6 The design picture of Tres Amigas Super-Substation of USA

圖7 日本中部大學200 m長、±20 kV/2 kA高溫超導直流電纜試驗系統Fig.7 200 m/±20 kV/2 kA high-temperature superconducting cable in Chubu University，Japan

韓國在濟州島智能電網示范項目中，于2014年開始示范一組500 m長、80 kV/60 MW的超導直流輸電電纜，并利用該電纜作為可再生能源接入電網的通道。2011年5月份，德國就開展千公里級高溫超導直流輸電示范工程的建設召開了國際可行性專題研討會，與會者對未來建設長距離高溫超導輸電電纜以解決大容量的可再生能源輸送問題寄予厚望；2011年8月份在日本召開的第一屆亞洲—阿拉伯可持續能源論壇，提出開發撒哈拉太陽能和風能發電，并采用超導直流輸電技術，將電力輸送到歐洲和日本的宏偉計劃。為此，日本住友電氣已經啟動了一項旨在利用超導直流輸電構造全球性可再生能源網絡的前期研究項目(如圖8所示)。

圖8 日本住友電氣關于未來全球超導直流輸電網絡的設想Fig.8 An idea of future global DC transmission network with superconducting power cable proposed by Sumitomo Electric Industries，Japan

2007年8月份，中國科學院電工研究所與河南中孚公司合作，在中孚鋁冶煉廠建成360 m長、電流達10 kA的高溫直流超導電纜。該電纜將采用架空方式布線，跨越公司綠化帶和內部馬路，連接變電所的整流裝置將電流輸送到電解鋁車間的直流匯流大母線。圖9是360 m、10 kA高溫超導直流電纜安裝現場，該電纜已于2013年投入示范運行。實驗運行表明，與同等容量的常規輸電電纜相比，該高溫超導電纜可節省輸電損耗約65%以上。

圖9 安裝在廠區的360 m、10 kA高溫直流超導電纜Fig.9 360 m、10 kA high-temperature superconducting DC cable

4 超導輸電技術未來發展趨勢

隨著可再生能源比重的不斷增加，現有輸電網交流運行模式將面臨日益嚴峻的挑戰[26-29]。因此，國際上似乎已經有了以下共識：即采用直流輸電網的模式對于建設未來大規模的可再生能源電網可能是較好的選擇。目前，無論是美國Grid2030構想[30]還是歐洲的Super Smart Grid構想(2050)[31]，均提出了以直流輸電網為骨干的網絡結構和輸電模式；美國電力科學院(EPRI)提出了Macro-Grid的概念[9]，其基本設想也是利用直流環形電網來解決資源的綜合利用問題和提高供電的安全可靠性；歐洲已計劃到2020年左右將北海地區的海上風電場通過直流電網相連并網[31]，美國規劃2020年左右將大西洋沿岸建設的海上風電場通過直流網絡向用戶提供清潔的能源供應[31]；歐美日等發達國家和地區已經就直流配電網的建設著手制定標準和建立示范工程。

正因為如此，未來超導輸電技術的一個極為重要的發展趨勢就是重點發展高溫超導直流輸電電纜，這一點已經從近年來國際上的研究開發任務中可以看出。由于超導直流輸電電纜無焦耳熱損耗和交流損耗，從而可最大程度地提高輸電效率。同時，超導輸直流電電纜需要的冷卻系統，如果采用液化天然氣(液化溫度為110 K)或液氫(液化溫度為27 K)作為冷卻介質，就可實現輸電和輸氣的一體化。這是因為，一方面，目前已有的高溫超導材料(如TlBaCuO(Tc～125 K)和HgBaCuO(Tc～150 K))的臨界溫度已超過了液化天然氣溫度，僅從臨界溫度的角度看，已具備研制輸電輸氣一體化“超導能源管道”的可能性；另一方面，由于可再生能源具有波動性的特點，利用可再生能源制備天然氣或氫氣，不僅可將不可調度的波動能源轉變成可調度的能源，而且可用于超導輸電電纜的冷卻。因此，發展“超導能源管道”也將是超導輸電技術的另一重要方向。

此外，直流輸電網中的短路故障開斷也是一個極其重要的問題。由于超導體存在超導態-正常態轉變特性，即超導體在過流時迅速轉變為正常態，因而利用超導體研制的短路故障限流器對于超導直流輸電系統來說也很有意義，它可迅速將短路電流限制在預定的水平，使得直流短路故障的開斷變得更加簡單。

總之，隨著直流輸電乃至直流輸電網的發展，研究開發超導直流輸電系統、超導直流輸電-輸氣一體化的“超導能源管道”和直流超導限流器，是未來超導輸電技術的重要發展趨勢，值得高度關注。

5 對策與建議

超導輸電技術屬于前沿戰略性技術，一旦取得重大突破，將同時對電力、能源、交通、醫療、科學研究等產生重大影響。因此建議國家科技部門在國家重點研究計劃中設立“超導輸電技術研究計劃”，予以長期穩定支持，通過制訂近、中、遠期發展戰略路線圖，突出目標驅動導向。

作為重要切入點，建議啟動液化天然氣溫度的長距離“超導能源管道”示范工程項目，通過在超導物理、超導材料、超導輸電關鍵技術及其在電網中應用的關鍵科學問題的系統性突破，全面推動超導輸電技術的發展，并通過15～20年的努力，建成數百公里級的高溫超導輸電示范系統，為我國未來能源輸送奠定堅實的技術基礎。

致 謝：衷心感謝劉怡博士和杜永紅女士在本文修改過程中提供的有益幫助。

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Status Quo and Trends of Superconducting Power Transmission Technology

XiaoLiye1，2LinLiangzhen1，2

(1.Applied Superconductivity Laboratory Chinese Academy of Science Beijing 100190 China 2.Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science Beijing 100190 China)

With the increasing development of renewable energy，it is expected that large-scale renewable power would be transported from the west and north area of China to the east and south area.For this reason，large-capacity long-distance power transmission technology would be necessary for China’s power grid even in the future.Superconducting power transmission (SCPT) technology is a potential alternative for this requirement.In this paper，we review the R&D status of superconducting power transmission around the world，discuss the possible trends of SCPT in the future，and then offer some proposals for future SCPT R&D in China.

Renewable energy，high temperature superconducting materials，superconducting power transmission technology

2015-03-03 改稿日期2015-03-10

TM315

肖立業 男，1966年生，研究員，研究方向為超導電工技術及電工理論與新技術。(通信作者)

林良真 男，1935年生，研究員，研究方向為超導電工技術與電力系統。